Modelagem da operação de instalações fotovoltaicas com sombreamento parcial e sua validação experimental

Abstract

A energia solar fotovoltaica (FV) é a principal fonte utilizada em geração distribuída no Brasil. Esses sistemas FV, principalmente em região urbana, são mais suscetíveis a sombreamentos causados por elementos do entorno. Nesse contexto, o conhecimento dos efeitos do sombreamento parcial e uma modelagem precisa dos módulos FV nessa condição são imprescindíveis. Esta tese teve o objetivo de propor aperfeiçoamentos na modelagem da operação de instalações FV com sombreamento parcial, sendo composta por três artigos científicos publicados em revistas internacionais. No primeiro artigo, foi proposta uma metodologia intuitiva e acessível para análise de sistemas FV parcialmente sombreados, que foi aplicada em um estudo sobre o efeito de diferentes padrões de sombreamento em um módulo FV e em uma análise das sombras de uma usina FV. Foram obtidos dados experimentais de um sistema FV que é sombreado parcialmente ao longo do dia, juntamente com dados de radiação solar e de temperatura no local. Esses dados foram utilizados para analisar, no segundo artigo publicado, a exatidão dos resultados obtidos utilizando diferentes modelos de sombreamento disponíveis nos programas PVSyst e SAM. A partir da análise dos dados medidos, também foi proposta, no terceiro artigo, uma melhoria a um método simplificado de cálculo da energia elétrica produzida por sistemas FV parcialmente sombreados usando um fator de sombreamento difuso. No mesmo artigo, foram analisados os efeitos de diferentes configurações de sombreamento em curvas I-V medidas em um simulador solar. Então, foi proposto um método simplificado de modelagem de curvas I-V de módulos FV nessas condições. No PVSyst e no SAM, as diferenças entre a energia elétrica medida e a simulada variaram de acordo com o modelo de sombreamento escolhido e chegaram a cerca de 20% usando alguns modelos de cálculo. Em relação à modelagem de curvas I-V, a metodologia proposta apresentou vantagens em comparação às outras analisadas, em questão de facilidade de aplicação e precisão dos resultados, principalmente quando os submódulos não são sombreados uniformemente. O uso de um fator de sombreamento difuso para estimativa da eletricidade produzida levou a resultados significativamente mais precisos, sendo a diferença entre a energia elétrica medida e simulada de até 5% quando usada uma base de dados mensal. Concluiu-se que os métodos propostos para a modelagem de curvas I-V e de cálculo simplificado da energia produzida apresentaram vantagem em questão de precisão e simplicidade.

Photovoltaic solar energy (PV) is the main source used in distributed generation in Brazil. These PV systems, especially in urban regions, are more susceptible to shading caused by surrounding elements. In this context, the knowledge of the effects of partial shading and accurate modeling of PV modules in this condition are essential. This thesis aimed to propose improvements in modeling the operation of PV installations with partial shading, consisting of three scientific articles published in international journals. In the first article, an intuitive and accessible methodology for analyzing partially shaded PV systems was proposed, which was applied in a study on the effect of different shading patterns on a PV module and in an analysis of shadows on a PV plant. Experimental data were obtained from a PV system that is partially shaded throughout the day, in addition to solar radiation and temperature data measured on site. These data were used to analyze, in the second published article, the accuracy of the results obtained using different shading models available in the PVSyst and SAM programs. Based on the analysis of the measured data, an improvement to a simplified method for calculating the electrical energy produced by partially shaded PV systems using a diffuse shading factor was also proposed in the third article. In the same article, the effects of different shading configurations on I-V curves measured in a solar simulator were analyzed. Therefore, a simplified method for modeling I-V curves of PV modules under these conditions was proposed. In PVSyst and SAM, the differences between measured and simulated electrical energy varied according to the chosen shading model and reached around 20% using some calculation models. Regarding the modeling of I-V curves, the proposed methodology presented advantages compared to the others analyzed, in terms of ease of application and accuracy of results, especially when the submodules are not shaded uniformly. The use of a diffuse shading factor to estimate the electricity produced led to significantly more accurate results, with the difference between measured and simulated electrical energy being up to 5% when using a monthly database. It was concluded that the proposed methods for modeling I-V curves and simplified calculation of the energy produced presented advantages in terms of precision and simplicity.